Теплоизоляционный вермикулитовый раствор на композиционном вяжущем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Аль Мамури Саад Кхалил Шадид

• Аль Мамури Саад Кхалил Шадид
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Аль Мамури Саад Кхалил Шадид

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Проблемы создания теплового комфорта зданий и сооружений в странах Ближнего Востока

1.2 Современные теплоизоляционные материалы

1.3 Теплоизоляционные растворы с использованием вермикулита

1.4 Выводы по 1 главе

2 ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИМЕНЯЕМЫХ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Характеристика применяемых сырьевых материалов

2.2 Оборудование и методы исследований

3 КОМПОЗИЦИОННОЕ ВЯЖУЩЕЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕРМИКУЛИТА

3.1 Вяжущие композиции с использованием вермикулита

3.1.1 Разработка составов вяжущих композиций

3.1.2 Дисперсные характеристики вяжущей композиции

3.1.3 Исследование фазовых продуктов гидратации вяжущей композиции

3.1.4 Исследование микроструктуры вяжущих композиций

3.2 Зондовые исследования

3.3 Получение композиционного вяжущего

3.4 Изучение кинетики тепловыделения композиционного вяжущего

3.5 Выводы по главе

4 РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ РАСТВОРОВ

4.1 Получение теплоизоляционного раствора с использованием метода математического планирования

4.1.1 Модель зависимости плотности теплоизоляционного раствора от исследуемых факторов

4.1.2 Модель зависимости прочности теплоизоляционного раствора от исследуемых факторов

4.2 Изучение микроструктуры теплоизоляционных растворов

4.3 Выводы по главе

5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ НА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ РАСТВОРЫ

5.1 Изучение процесса смешения и выбор оборудования

5.2 Модель зависимости плотности теплоизоляционного раствора от исследуемых факторов

5.2.1 Условия планирования эксперимента

5.2.2 Расчет коэффициентов регрессии и оценка их значимости

5.2.3 Проверка адекватности уравнений регрессии

5.2.4 Анализ уравнений регрессии

5.2.5 Построение зависимостей выходных параметров от исследуемых факторов

5.3 Модель зависимости прочности теплоизоляционного раствора от исследуемых факторов

5.3.1 Условия планирования эксперимента

5.3.2 Расчет коэффициентов регрессии и оценка их значимости

5.3.3 Проверка адекватности уравнений регрессии

5.3.4 Анализ уравнений регрессии

5.3.5 Построение зависимостей выходных параметров от исследуемых факторов

5.4 Технологическая схема производства теплоизоляционных растворов

5.5 Сравнительный анализ свойств и характеристик теплоизоляционных штукатурных растворов с использованием вермикулита

5.6 Разработка нормативно-технической документации и апробация

5.7 Экономическая эффективность принятого технического решения

5.8 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Патент на полезную модель №214199 «Пневмосмеситель для

сухих сыпучих материалов»

Приложение Б. Акт о выпуске полупромышленной партии «Композиционных вяжущих для теплоизоляционных растворов с использованием вермикулита» 188 Приложение В. Акт о выпуске полупромышленной партии теплоизоляционной

смеси «Теплоизоляционная смесь с использованием вермикулита»

Приложение Г. Технические условия «Композиционного вяжущего для

теплоизоляционных растворов с использованием вермикулита»

Приложение Д. Технологический регламент производства композиционных вяжущих для теплоизоляционных растворов с использованием вермикулита» 191 Приложение Е. Технические условия «Сухие теплоизоляционные смеси с

использованием вермикулита»

Приложение Ж. Технологический регламент производства сухих

теплоизоляционных смесей с использованием вермикулита

Приложение З. Акт о внедрении результатов научной работы «Композиционные вяжущие для теплоизоляционных растворов с использованием вермикулита»

компании «Alaghar Company for General Contracting Ltd»

Приложение И. Акт о внедрении результатов научной работы губернатора город

Кербела

Приложение К. Рекомендации по устройству теплозащитных покрытий

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теплоизоляционный вермикулитовый раствор на композиционном вяжущем»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Анализ энергопотребления в жилых и гражданских зданиях жителями стран Ближнего Востока указывает на то, что большая часть электроэнергии потребляется для целей охлаждения, что связано с характерным жарким и сухим климатом. Теплоизоляция оказывает значительное влияние на сокращение теплопередачи с внешней части здания во внутренние помещения и, тем самым, снижает энергопотребление, используемое для создания комфортных условий для жизнедеятельности людей. Поскольку проблема энергопотребления и стоимость электроэнергии в странах Ближнего Востока весьма высока, вопросы теплоизоляции зданий и сооружений представляют серьезную задачу, требующую своего решения. Для реализации поставленной цели необходимо разработать эффективный теплоизоляционный раствор на композиционном вяжущем с использованием вермикулита. Разработка технологии теплоизоляционных штукатурных растворов позволит решить задачу теплоизоляции зданий и значительного снижения энергозатрат на создание комфортных условий для жизнедеятельности людей.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова № А 2/16, с использованием оборудования ЦКП БГТУ им. В.Г. Шухова при содействии сотрудников Центра высоких технологий (государственное задание № 11.9329.2017/БЧ), за счет гранта РНФ № 22-19-20115.

Степень разработанности темы. Задачами разработки рецептурно-технологических решений, изучением возможности влияния на изменение плотности теплоизоляционных растворов за счет регулирования зернового состава вермикулита, а также изменением плотности цементно-вермикулитовой растворной части при неизменной пористости зерен заполнителей, исследованиями формирования пористости теплоизоляционного раствора на начальных и последующих этапах структурообразования занимались многие научные школы и ученые. Несмотря на определенные успехи в технологии получения легких растворов и бетонов на пористых заполнителях имеется весьма существенный резерв, который заключается в снижении толщины обмазки зерен вермикулита и снижении плот-

ности за счет разработки и использования композиционных вяжущих. Однако, исследований, посвященных получению и применению композиционных вяжущих, позволяющих существенно изменить структуру и прочность обмазочного слоя вермикулитового заполнителя, в научной технической литературе не имеется. Также не изучены вопросы, касающиеся исследований влияния пластифицирующих добавок на формирование структуры композиционных вяжущих с использованием вермикулита для теплоизоляционных растворов пониженной плотности.

Цель и задачи работы. Разработка научно обоснованного технологического решения, обеспечивающего получение теплоизоляционного вермикулитового раствора на основе композиционного вяжущего и комплекса добавок, обладающего пониженной плотностью.

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

- изучение вариативности физико-химических, структурных и физико-механических особенностей вяжущих композиций с вермикулитом, механоакти-вированных в вибрационной мельнице, с целью использования в качестве компонента композиционного вяжущего;

- исследование влияния суперпластификатора на свойства композиционного вяжущего, процессы фазо- и структурообразования цементного камня;

- разработка составов и технологии производства сухих штукатурных смесей с использованием композиционного вяжущего и комплекса добавок; изучение свойств теплоизоляционного вермикулитового раствора;

- подготовка нормативной документации для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Промышленная апробация.

Научная новизна. Обосновано и экспериментально подтверждено технологическое решение, обеспечивающее получение сухих штукатурных смесей на основе: композиционного вяжущего, полученного совместной механоактивацией портландцемента, вспученного вермикулита и суперпластификатора; легкого заполнителя - вспученного вермикулита; комплекса функциональных добавок - по-рообразователя и редиспергирующего порошка. Для гомогенизации смеси с легким заполнителем обоснована эффективность применения разработанного пневматиче-

ского смесителя со спиральной энергонесущей трубкой. Предложенное технологическое решение, в совокупности с реализацией структурно-механического и ад-сорбционно-сольватного факторов взаимодействия компонентов смеси, обеспечивает получение теплоизоляционных вермикулитовых растворов с рациональной поровой структурой, стабильными показателями по плотности, достаточными показателями по прочности при снижении расхода цемента на 10 %.

Установлен характер влияния механоактивации при получении композиционного вяжущего на процессы структурообразования цементной матрицы с учетом химических и структурно-морфологических особенностей вермикулитового наполнителя и пластифицирующей добавки, заключающийся в: аморфизации верхних слоев вермикулитового наполнителя, что обеспечивает вовлечение высокодисперсных частиц в процесс структурообразования цементной матрицы в качестве центров кристаллизации гидратных фаз; увеличении общей удельной поверхности вяжущего и, как следствие, ускорении физико-химических процессов гидратации; возрастании количества гидратных фаз. В совокупности это способствует получению композиционного вяжущего КВ-90 с активностью, соответствующей исходному цементу.

Определены закономерности влияния количественного соотношения компонентов в составе штукатурной смеси, а также режимов работы пневматического смесителя со спиральной энергонесущей трубкой, позволяющие определить рациональные границы варьирования и рецептурно-технологические факторы при проектировании сухих смесей для производства теплоизоляционных растворов с улучшенными физико-механическими свойствами и сниженной теплопроводностью.

Теоретическая и практическая значимость работы. Дополнены теоретические представления о: процессах структурообразования композиционных вяжущих при использовании механоактивированного вспученного вермикулитового наполнителя и суперпластификатора; влиянии комплекса добавок на поровую структуру штукатурных растворов; влиянии смесительного оборудования и технологических режимов его работы на формирование структуры и физико -механические свойства штукатурных растворов на пористых заполнителях.

Разработаны составы композиционных вяжущих на основе портландцемента, вспученного вермикулитового наполнителя и пластифицирующей добавки, получаемых при механоактивации в вибрационной мельнице, с активностью 70,1 МПа.

Разработаны составы теплоизоляционных вермикулитовых растворов на основе композиционного вяжущего, порообразователя ESAPON 1214, редисперги-рующего порошка Vinnapas LL 4042 H и вспученного вермикулита в качестве легкого заполнителя, с показателями прочности 2,9-3,1 МПа, плотности 430-440 кг/м3, теплопроводности 0,064-0,070 Вт/(м^К).

Предложена технология производства сухих штукатурных смесей на легких заполнителях для получения теплоизоляционных растворов, включающая применение разработанного пневматического смесителя со спиральной энергонесущей трубкой. Установлены рациональные режимы работы пневмосмесителя: давление сжатого воздуха 144-150 кПа, коэффициент загрузки материала в смеситель 48 %, время смешения 40-51 с.

Методология и методы исследования. Методологической основой работы явилось проведение комплексных исследований, основанных на принципах системного подхода при разработке композиционных вяжущих с целью создания теплоизоляционных растворов, обеспечивающих получение достоверных результатов. Для определения физико-механических показателей сырьевых и полученных материалов применяли стандартные методы исследований, а также комплекс современных физико-химических методов анализа: лазерная гранулометрия, РФА, оптическая и растровая электронная микроскопия с микроанализом элементного состава.

Положения, выносимые на защиту:

- обоснование и экспериментальное подтверждение технологического решения, обеспечивающего производство сухой штукатурной смеси на основе композиционного вяжущего, легкого заполнителя и комплекса добавок в условиях разработанного пневмосмесителя, позволяющей получить теплоизоляционный вермикулитовый раствор, обладающий пониженной теплопроводностью;

- характер влияния механоактивации при получении композиционного вяжущего на процессы структурообразования цементной матрицы с учетом химических и структурно-морфологических особенностей вермикулитового наполнителя и пластифицирующей добавки;

- закономерности влияния рецептурных факторов и режимов работы пнев-мосмесителя на физико-механические свойства теплоизоляционных растворов;

- рациональные составы и свойства композиционных вяжущих теплоизоляционных растворов на их основе;

- технология производства сухих штукатурных смесей на легких заполнителях для получения теплоизоляционных вермикулитовых растворов. Результаты апробации.

Степень достоверности результатов работы обеспечена системой методов проведенных исследований с применением стандартных средств измерений, аттестованного современного оборудования и методов научных исследований с учетом требований нормативной документации. Полученные результаты подкреплены значительным объемом теоретических и экспериментальных исследований и не противоречат общепризнанным фактам и работам других авторов. Проведенный комплекс экспериментальных исследований апробирован в промышленных условиях.

Апробация результатов работы. Результаты работы были представлены на Международной научно-технической конференции молодых ученых (Белгород, 2020-2024); Международной научной конференции «Рациональное использование природных ресурсов и переработка техногенного сырья: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, химия и биотехнология» (Алушта, 2021, 2023); VI Всероссийской научно-практической конференции «Военно-инженерное дело на Дальнем Востоке России» (Владивосток, 2022); 4-я Международная конференция Университетского колледжа (Багдад, 2023); 2-я Международная конференция инженерных наук (Багдад, 2024); VII Международном студенческом строительном форуме (Белгород, 2022); XIV Международном форуме «Образование. Наука. Производство» (Белгород, 2022).

Внедрение результатов исследований. Выпуск опытной партии композиционного вяжущего и теплоизоляционного раствора на основе композиционного вяжущего был осуществлен на предприятии ООО «Стройтехнология». С целью внедрения результатов работы разработаны ТУ «Композиционные вяжущие для теплоизоляционных растворов с использованием вермикулита» и «Сухие теплоизоляционные смеси с использованием вермикулита», ТР на производство композиционных вяжущих для теплоизоляционных растворов с использованием вермикулита и ТР на производство сухих теплоизоляционных смесей с использованием вермикулита. Разработаны рекомендации по устройству теплозащитных покрытий. Получены акты об испытаниях разработанных теплоизоляционных составов в лаборатории компании «Alaghar Company for General Contracting Ltd» и внедрении результатов научной работы при отделке фасадов продовольственных складов и аптек для защиты от высоких летних температур, а также при выполнении теплоизоляционных работ для обеспечения теплозащиты жилых комплексов в городе Кембела.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленной апробации используются в учебном процессе по направлению подготовки бакалавров 08.03.01 «Строительство» и магистров 08.04.01 «Строительство».

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 10 научных публикациях, в том числе в 4 статьях в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК РФ, 5 статьях в сборниках трудов конференций, на пнев-мосмеситель для сухих сыпучих материалов получен патент на изобретение.

Личный вклад. Автором проведено теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение технологического решения по использованию композиционного вяжущего, вермикулита и химических добавок, обеспечивающих получение теплоизоляционных растворов. Выполнен комплекс экспериментальных исследований, последующая обработка и анализ полученных результатов. Проведена апробация результатов работы.

Объем и структура работы. Диссертационная работа включает введение, 5 глав, заключение, список литературы и приложения. Диссертация изложена на 196 страницах машинописного текста, включающего 32 таблиц, 82 рисунка, список литературы 136 источников, 10 приложений.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Проблемы создания теплового комфорта зданий и сооружений

в странах Ближнего Востока

Анализ потребления электроэнергии в странах Ближнего Востока в жилых и гражданских зданиях указывает на то, что большая часть электроэнергии потребляется для целей охлаждения, что связано с характерным жарким и сухим климатом этих стран. К примеру, Ирак расположен между 29-37 °С северной широты и входит в регион Ближнего Востока (рисунок 1.1), климат этой страны типичен для всего Ближнего Востока и классифицируется: жарким сухим летом и холодным, и влажным - зимой.

Исследования показали, что количество тепла, передаваемого от стен и потолков зданий внутрь помещений, эксплуатирующихся в условиях сухого пустынного климата Ближнего Востока, составляет около 60-70 %. Остальное тепло проникает через оконные и дверные проемы, полы (рисунок 1.2). Передача наружного тепла через стены и потолки составляет наибольшую часть, что требует наличия кондиционирования воздуха для создания комфортных условий для проживания людей.

• 66 30 N

Europe

Caspian

"sSS" ЛЯ

ЛЛсЬ. ~3са

К

_T_ropic of_ _ ^ er ^

Middle East

© WorldAtlas.com

Circle

Asia

N

Arabian N Sea

f - Africa_____4$s>rГ___Equator

"оГ

Bengal

---2J°S"N

Pacific Ocean

Oceania

Indian Ocean

Tropic of Capricorn 1500 ml

---i3°S"»

.. _ «-— I; ~

Рисунок 1.1— Географическое положение Рисунок 1.2 -Тепловые потери через части стран Ближнего Востока здания характерного арабского жилища

Теплоизоляция оказывает значительное влияние на сокращение теплопередачи с внешней части здания во внутренние помещения и, тем самым, снижает

потребление электроэнергии, используемой для создания комфортных условий для жизнедеятельности людей. Поскольку проблема энергопотребления и стоимость электроэнергии в странах Ближнего Востока весьма высока, вопросы теплоизоляции зданий и сооружений представляют серьезную задачу, требующую своего решения.

Кроме того, в последние годы в мире наблюдается существенное изменение климата, известное как явление глобального потепления, что приводит к повышению летних температур. В связи с этим растет спрос на принудительное механическое охлаждение, которое потребляет значительно большее количество электроэнергии, ему соответствует удвоенная генерирующая мощность электроэнергии, поскольку она покрывает 50-70 % фактической потребности населения. В последние десятилетия в странах Ближнего Востока возникла проблема увеличения норм энергопотребления в жилых и гражданских зданиях для целей охлаждения вследствие более широкого использования механических методов охлаждения для обеспечения теплового комфорта в помещениях.

Ограждающие конструкции здания являются основным объектом всех операций терморегулирования, так они должны обеспечивать изоляцию внутренней среды, отличной от внешней, которая обычно используется в традиционных зданиях, а также гарантировать прочность и надежность к изменениям во внешней среде; предотвращать влияние окружающей среды за счет снижения затрат энергии, необходимой для охлаждения и уменьшения потока тепла из окружающей среды внутрь здания. При этом в жилых и гражданских зданиях должны создаваться нормативные комфортные внутренние условия, независимо от внешних климатических условий. Помимо высоких энергетических показателей к ограждающим конструкциям предъявляются определенные требования по затратам энергии охлаждения, чтобы здание было термически комфортным и обладало наименьшим энергопотреблением. Исследованиями установлено, что на энергопотребление зданий приходится наибольшая часть общего энергопотребления [16]. В основном жилые и гражданские здания поглощают тепловую энергию за счет конвекции и излучения из внешней среды [7], интенсивность ее зависит от

ряда параметров, таких, как площадь крыш и наружных стен, теплоемкости применяемых материалов, их теплопроводности и плотности, толщины стен и др. [8, 9].

В мире для оценки эффективности потребления энергии зданий используется коэффициент эффективности здания (КЭЗ), который применяется для определенных разновидностей зданий и сооружений с позиции использования энергии. В соответствие с зарубежными стандартами существует градация, в соответствие с которой низкоэнергетические здания могут потреблять не более 50 кВт-ч/м2 энергии в годовом исчислении. Здания с условным средним расходом энергии требуют энергии в 100-200 кВт-ч/м2 в годовом исчислении. Условное разделение моноэнергетических задний должно использовать менее 50 кВт-ч/м2 ежегодно (рисунок 1.3).

<15 ^ Стандарт пассивного дома

>25

>50

АЗ)

Стандарт низкого энергопотребления

>75

ИХ

>125

В2>

Текущий ЕВРОПЕ

вз)

>150

С2у

Текущий США

>200

сз)

Р1

>250

>300

^ Стандарт высокой энергии

>380

►

Текущий Ирак

Энергопотребление (кВт'Ч/'иг)

Рисунок 1.3 - Стандарты энергопотребления в различных странах

Анализ диаграммы свидетельствует об очень низкой энергоэффективности зданий и сооружений Ирака, которые потребляют свыше 400 кВт-ч/м2 в год. К сожалению, такой низкий показатель энергоэффективности характерен для многих стран Ближнего Востока, что требует его повышения.

Теплотехнические свойства применяемых строительных материалов, обусловленные теплопроводностью, зависят в основном от плотности этих материалов. Вследствие чего проектировщики стремятся использовать строительные ма-

териалы с низкой плотностью, то есть с высокой пористостью, путем введения легких заполнителей для получения различных строительных блоков, элементов или легких облицовочных растворов, обладающих высокими теплозащитными свойствами при сохранении их прочностных свойств [10-16].

Исходя из принципов теплообмена, тепловая инерция здания напрямую зависит от теплозащитных характеристик применяемых строительных материалов и массы воздуха, подлежащего обработке в помещении [7, 17]. Вследствие этого строительные нормы и правила предписывают проектировщикам уменьшать высоту потолков и использовать эффективные теплоизоляционные строительные материалы. Согласно экспериментальным наблюдениям, низкая высота здания оказывает положительное влияние на температуру воздуха в помещении в холодный период года, но для жаркого периода времени пребывание в таких условиях помещения некомфортно, что требует проектирования высоких потолков [18, 19].

Кроме того, размер и высота окон оказывают существенное влияние на вентиляцию и тепловой комфорт в помещении [20]. Ранее были изучены различные условия нахождения людей в помещениях [8, 20-22] и было установлено, что высокие потолки создают больше вертикальных температурных перепадов, что положительно сказывается на ощущении теплового комфорта летом, особенно в жарком климате. С другой стороны, это увеличение приводит к улучшению условий естественной вентиляции и увеличению периодов самоохлаждения [23]. Период самоохлаждения - это временной период, в диапазоне которого системы отопления или охлаждения не требуют значительных затрат энергии [24]. Другими словами, в здании достигается определенный уровень комфорта только вследствие естественной вентиляции, без какой-либо системы кондиционирования. Таким образом, дизайн помещений с высокими потолками может снизить высокий расход энергии. Благодаря последним новейшим разработкам в области строительных технологий был достигнут высокий уровень создания комфортных условий в помещениях, заключающийся в следующем. Вместо использования энергоемких систем кондиционирования необходимо и целесообразно применять эффективные теплоизоляционные материалы и системы теплозащиты.

Одной из основных проблем человечества в настоящее время является глобальное потепление и сокращение природных ресурсов [25]. Эти опасения усугубляются ростом населения на планете, что также приводит к увеличению выбросов углекислого газа в атмосферу [26]. С другой стороны, в развитых странах почти 90 % времени жители проводят в помещении [27], что свидетельствует о важности создания комфортных условий в зданиях. Кроме того, современный мир сталкивается с серьезными энергетическими проблемами, значительную роль в развитии цивилизованного общества играет строительная отрасль, на ее долю приходится более 40% всего мирового энергопотребления [28, 29].

Одна из главных целей создания благоприятных условий для комфортной жизнедеятельности человека заключается в обеспечении удовлетворительного теплового комфорта и приемлемого качества воздуха в помещении. Для реализации поставленной цели необходимо разработать стратегию рационального проектирования зданий и сооружений с целью их естественного охлаждения при минимальном энергопотреблении и максимальном комфорте.

Прежде всего, исследуем условия для того, чтобы создать эффективные условия по тепловому режиму в жилых и гражданских зданиях. Существует мнение, что создать благоприятные тепловые условия для эффективной работы и нахождения в рабочих комнатах можно вследствие двух основных факторов. Первое - за счет использования энергии и второе - за счет принятия эффективных архитектурно-планировочных приемов и решений, целью которых является создание комфортных условий для жизнедеятельности человека (рисунок 1.4).

Мировой энергетический кризис в начале 1970-х годов заставил задуматься о необходимости разработки систем самоохлаждения [30], применение этих систем произошло в результате поиска альтернатив энергии. Эксперименты показали успех этих систем благодаря убежденности жильцов в их эффективности, и, несмотря на преимущества систем самоохлаждения, они не лишены некоторых недостатков. Недостатки, связанные с процессом обслуживания их частей, которые составляют наибольшую часть общей устойчивости здания и системы, а также потребность в некоторых системах самоохлаждения для дополнительных за-

трат, особенно в отношении первоначальных затрат на строительство, которые могут составлять препятствие для распространения его использования.

Энергоемкие стратегии проектирования включают в себя проектные решения и эффективные методы охлаждения, направленные на создание самых высоких условий охлаждения и минимального энергопотребления, другими словами, организацию управления энергопотреблением в здании с помощью эффективных методов охлаждения, повышающих эффективность охлаждения, и минимальное использование механических охлаждающих устройств, которые большое энергопотребление.

Активное охлаждение в принципе похоже на самоохлаждение, но отличается от него тем, что использует механические средства для создания движения воздуха или повышения процессов испарения, чтобы активировать процесс охлаждения с наименьшим потреблением энергии. Некоторые исследователи классифицировали эффективные методы охлаждения как системы охлаждения с низким энергопотреблением [31].

К сожалению, энергоемкие факторы создают целый ряд сложных проблем и зависят от различных источников энергии во всех аспектах жизни [32]. Сегодня мы живем в эпоху возрастающего спроса на энергию, когда основные источники производства энергии заканчиваются [33].

уровень комфортных условий

уровень комфортных условий

Рисунок 1.4 - Факторы создания теплового комфорта зданий и сооружений

одинаковой теплопроводности

Вопрос потребления энергии в различных сферах жизни стал важнейшим из потребностей времени и фундаментальной проблемой, которая волнует все страны мира, особенно в странах Ближнего Востока, в частности, Ирака, где наблюдается значительный рост объемов потребления энергии, особенно в летний сезон, что компенсируется неспособностью удовлетворить потребности населения в энергии вследствие войны, которую пережил Ирак, и тяжелых последствий для инфраструктуры энергетического сектора.

Установлено, что расход электроэнергии в жилых зданиях в Ираке достигает 48 %, что включает значительную долю энергопотребления в общем объеме энергопотребления, что представляет достаточно высокую долю при сравнении с остальными и распределенными по другим секторам, таким как промышленность (29 %), сельское хозяйство (4 %), коммерческие (6 %) и правительственные здания (13 %) [34]. Ограниченные источники энергии, используемые сегодня, требуют, чтобы здание могло служить и адаптироваться к изменяющимся климатическим условиям [35]. Это в свою очередь выставляет требования по использованию природной энергии и материалов с наименьшим возможным ущербом, что трактуется, как экологическая ориентация при проектировании зданий, поскольку эти здания в большей мере зависят от систем кондиционирования, которые позволяют эффективно дополнять системы эксплуатации здания в соответствии с местным климатом, регулировать энергию и материалы и находить наиболее эффективные решения [36]. Поскольку здание является рукотворным ответом на силы внешней среды для обеспечения стабильной внутренней среды, в которой человек должен затрачивать минимум энергии или усилий для поддержания теплового комфорта. Управление солнечным излучением через само здание с точки зрения энергосбережения обеспечивает наименьшие потери энергии при сохранении стабильности требуемой внутренней среды [37].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Аль Мамури Саад Кхалил Шадид, 2024 год

- £н

£1 N Чга 171 __, Л ,—,

- [са

1 1 1 1 I 1 1 1 1 | 1 1 1 1 \ 1 1 1 1 | 1 1 1 1 I 1 1 1 1 | 1 1 1 1 I 1 II 1 | II II I 1 1 м 2 4 6 8 кэВ

Рисунок 3.24 - Энергодисперсионные спектры контактной зоны: вяжущее -

минеральный наполнитель

Fe Kai

1 2.5цт 1

Рисунок 3.25

На рисунке 3.23 наглядно просматривается на вермикулитовых зернах-подложках формирование мелкозернистой кристаллической структуры силикатов кальция различной морфологии, что обеспечивает высокую прочность создаваемому композиту.

Проведенные исследования микроструктуры и микроанализ элементного состава образцов цементного камня вяжущих композиций на сканирующем электронном микроскопе позволили установить особенности формирования структуры композитов.

Карта распределения элементного состава в наиболее типичных участках затвердевшей вяжущей композиции показала, что по химическому составу исследуемый образец представлен смесью преимущественно силикатов и алюмосиликатов кальция, а также наличием слюдяных пакетов, представленных содержанием полевых шпатов, силикатов алюминия, железа и магния, образовавшихся в результате генезиса слюды, что четко прослеживается на всех исследуемых спектрах.

Установлена высокая пористость структуры вяжущей композиции при достаточно равномерно-ритмичном строении созданной матрицы, закономерном формировании структуры и объемном прорастании мелкозернистых силикатов в композите.

Многослойная карта распределения элементного состава вяжущей композиции показала ее высокую дисперсность, однородность и высокую гомогенность смеси и, как следствие, ее высокую химическую активность. На вермикулитовых зернах-подложках формируются мелкозернистые кристаллические новообразования силикатов кальция различной морфологии, равномерно распределяющиеся и прорастающие в объеме раствора, это обстоятельство способствует формированию высокой прочности, создаваемому композиту.

С целью улучшения технологических и физико-механических свойств вяжущей композиции на следующем этапе изучали влияние пластифицирующей добавки Melment F10 на ее свойства.

3.3 Получение композиционного вяжущего

Композиционное вяжущее (КВ) для теплоизоляционного раствора синтезировали вследствие совместного помола 90 % портландцемента и 10 % вермикулита (таблица 3.1) с введением СП Ме1теП F10(таблица 3.4). Таблица 3.4 - Влияние суперпластификатора Melment F10

Дозировка Интервал варьирования Определяемые параметры

№ п/п суперпластификатора, % р, г/см3 Кол-во воды, мл НГ, % Re®: ср при 28 сут, МПа

1 - - 1,9 155 38 58,2

2 0,2 2,0 154 37 62,1

3 0,8 0,6 2,1 149 36 70,1

4 1,4 2,0 145 35 65,6

5 2,0 2,0 147 34 63,9

Суперпластификатор в массу вяжущего вводили в количестве от 0,2 до 2,0 %в связи с рекомендациями производителя по использованиюдобавки в диапазоне 0,21,5 мас. % от вяжущего.

В результате испытаний установленадозировка суперпластификатора в количестве 0,8 %, обеспечивающая высокие показатели прочности композиционного вяжущего - 70,1 МПа, превосходящего на 20 % исходный бездобавочный состав.

Таким образом, получено КВ в результате совместного помола 90 % портландцемента и 10% вермикулита с Melment F10 в вибрационной мельнице с показателями прочности при сжатии бездобавочного портландцемента на 21 % и вяжущей композиции на 45,3 %.

3.4 Изучение кинетики тепловыделения композиционного вяжущего

С помощью калориметра ToniCAL изучены процессы гидратационного твердения полученного КВ в сравнении с портландцементом.

Для изучения процессов гидратации модифицированного вяжущего была исследована кинетика его тепловыделения с момента затворения водой с использованием дифференциального калориметра ToniCAL с компьютерной обработкой и записью результатов.

Известно, что процессы гидратации портландцемента обусловлены выделением определенного количества тепла, которые образуются в результате химических процессов, тепловыделение имеет место на протяжении всего периода от момента затворения и до определенного периода твердения. Процесс и величина количества тепла для различных портландцементов индивидуален, в зависимости от минералогического состава, а также от тонкости помола вяжущего.

На рисунке 3.26 приведены результаты исследования тепловыделения товарного цемента, характеризующегося удельной поверхностью 308 м2/кг, ВК с удельной поверхностью 612 м2/кг и КВ с удельной поверхностью 612 м2/кг.

Рассматривая рисунок 3.26 а, отмечается, что зерна цемента с момента за-творения водой растворяются и начинаются процесс тепловыделения, на что указывает первый пик на кривые тепловыделения (первая стадия). На указанной стадии отмечается интенсивная гидратация минеральных частиц с поверхности, которые насыщаются тончайшем покрытием из гелеобразных соединений, которые препятствуют проникновению воды к твердой части зерна и их выходу в свободное межзерновые участки. Отмечается в первый час гидратации выделение тепла в количестве 53 кДж/(кгч), это обусловлено химическим взаимодействием гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, при этом происходит растворение порт-ландита, ионы которого переходят в растворную часть. Следует отметить, что дисперсность вяжущего значительно влияет на процессы гидратации с увеличением тонкости помола активно протекают реакции гидратации и наоборот.

Второй условный этап, пори котором протекают гидратационные реакции, называют - индукционным. В этот период происходят дальнейшие реакции гидратации, скорость их различна, которые зависят от минерального состава, тонкости помола, температуры окружающей среды и так далее. именно в этот период отмечается зарождение и формирование начальных кристаллов гидроалюминатов и гидросиликатов кальция, а также портландита.

Третий этап процесса гидратации начинается, когда в системе появляется определенное количество кристаллических фаз и создаются наилучшие условия подхода воды к ранее негидратированным зернам цемента. Этот период относится

к ускоренному периоду твердения (рисунок 3.26 б). В этот период идет быстрое формирование кристаллов, с образованием объемного каркаса, при этом идет уплотнение его и отмечается некоторое снижение скорости реакций гидратации.

Кривая тепловыделения, присущая ВК имеет свою специфику, для портландцемента отмечается сильное тепловыделение на первой стадии через 15 минут, с выделением 53 кДж/(кгч), а у ВК этот показатель составляет 59 кДж/(кгч), то есть тепловыделение ВК превышает на 10 %, что обеспечивается общими явлениями при гидратации, свойственными портландцементу, а также влиянием тепловыделения от внесенного вермикулита.

Так как система имеет высокую дисперсность поверхностное натяжение тонких пленок снижается до минимального значения, что обеспечивает достаточный доступ воды к непрогидратированным зернам минералов портландцементно-го клинкера. Этот период характеризуется наивысшими показателями гидратаци-онных процессов и его называют третьим этапом гидратации портландцемента, в этот период тепловыделение характеризуется максимальным количеством. На зернах минералов портландцементного клинкера адсорбируется наполнитель минерального происхождения и при этом формируется тончайшая оболочка из кристаллов эттрингита, закрывающая доступ воды, но присутствие в системе насыщенного Са(ОН)2 и других кристаллогидратов создает благоприятные условия для проникновения воды из объема системы для процессов гидратации.

При достижении максимальной концентрации ионов Са2+ и ОН- процессы гидратации достигают наивысшей скорости. При этом гидратация минералов портландцемента активно протекает. При наличии в системе зерен С^ и С3А, обладающих более крупными размерами, процессы гидратации на этом этапе замедляются.

Следующим этапом гидратации является условный четвертый этап. В этот период величина тепловыделения ВК возрастает более чем на 25 % в сравнении с портландцементом. Следует отметить теплоэффект в возрасте 13 часов, по нашему наблюдению этот эффект обусловлен гидратацией минеральных составляющих, присутствующих в вермикулите.

Рисунок 3.26 - Кинетика тепловыделения рядового портландцемента (ПЦ, Sуд=308 м2/кг), вяжущей композиции (ВК, Sуд=612 м2/кг) и композиционного вяжущего (КВ, Sуд=612 м2/кг)

Последующее тепловыделение ВК понижается. Отмечается стабилизации процессов гидратации вследствие протекания пуццолановых взаимодействий и активной химической реакции с минералами портландцемента, и значительной концентрации полученных новообразований: гидроалюминатов и гидросиликатов

кальция. Следует отметить, что тепловыделение в ВК проходит в плавном режиме, при этом формируется мелкокристаллические фазы, этот факт доказан полученными данными РФА и физико-механических исследований растворов.

Сравнительные исследования тепловыделения КВ и портландцемента указывают на то, что если у цемента активное тепловыделение на первой стадии проходит в 15 минут с максимальным тепловыделением в начальный час процессы гидратации 53 кДж/(кгч), то для ВК показатель максимального тепловыделения к этому возрасту показывает 59 кДж/(кг ч), разница показателей тепловыделения выражается 10 %, то для КВ показатели ВК тепловыделения в этот период имеет 26 кДж/(кгч), этот показатель в два раза ниже, чем у портландцемента и в два с лишним раза ниже для ВК. Отмечается смещение 1 -го пика показателей тепловыделения и уменьшения тепловыделения у КВ, этот факт можно объяснить значительным показателем удельной поверхности у этих вяжущих, присутствием минерального наполнителя, обладающего пластинчатыми и игловидными зернами, высоким показателем их дисперсности, которые активно блокируют и покрывают определенным слоем новообразований систему, определенное влияние оказывает СП Ме1теП ПО, которые также обволакивают минеральные частицы вяжущего, тем самым затормаживают химические и физико-химические процессы взаимодействия данной системы, все указанные факторы замедляют процессы гидратации в КВ. Представленные результаты подтверждаются с результатами исследований профессора Ушерова-Маршака, который доказал, что СП в результате блокирования частиц СП замедляют процессы гидратации и снижают тепловыделение в системе.

В результате проведенных исследований установлено, что СП Ме1теШ ПО определенным образом сорбируется на тонких частицах высокодисперсного вермикулита, обладающего незначительной гидравлической активностью и приближенных гранулометрических характеристик цемента и вермикулитовых частиц, особенность поведения пластифицирующей добавки обеспечивает направленное структурообразование в создаваемых композитах.

3.5 Выводы по главе 3

1. Установлено, что все вяжущие композиции, синтезированные в вибрационном агрегате, характеризуются повышенной удельной поверхностью, отмечается наибольшее увеличение тонкости помола к 10 минутам помола. Эффективность помола свыше 10 минут у составов ВК с содержанием 10-20 % понижается. Отмечается возрастание удельной поверхности у вяжущей композиции с содержанием 30 % вермикулитового наполнителя, что обусловлено генезисом этой осадочной выветренной породой.

2. Доказано, что механообработка разработанных ВК, прошедших механо-активацию в вибрационном агрегате эффективна, так возрастание продолжительности механической активации составов вяжущей композиции до 30 минут увеличивается до величины 1933 кг/м3, дальнейшая механоактивация до 40 минут приводит к снижению плотности до 1920 кг/м3, обусловленное переизмельчением композиции, что приводит к структурному уплотнению.

3. Установлено,что 30 минутная механоактивация положительно влияет на показатели плотности и прочности всех составов вяжущих композиций, обеспечивающая наилучшие условия формирования внутренней структуры при их гидратации. Так, состав 1-4 с содержанием портландцемента 90 % и вермикулита 10 % обеспечивают повышение прочности свыше 20 % в сравнении с товарным портландцементом, а состав 2-4 с содержанием портландцемента 80 % и вермикулита 20 % гарантирует повышение прочности на 6 %, что свидетельствует об экономии портландцемента, что составляет величину 10 и 20 %.

4.Высокая близость фракционного состава, полученного композиционного вяжущего с измельченным портландцементом, свидетельствуют о создании высокой гомогенности в вяжущей смеси композиционного вяжущего. Следует отметить, что присутствие в смеси частиц вермикулита в виде тончайших пластинок (0,01-0,02 мм), на которых впоследствии будут формироваться мелкозернистые новообразования силикатов кальция и алюминия, что обеспечит повышение прочности композита.

5. Анализ дифрактограммы гидратированной вяжущей композиции показывает, что новых соединений в системе не образовалось, но дифракционный фон характеризуется повышенной интенсивностью, что свидетельствует о наличии в системе повышенного количества мелкокристаллических образований, способствующих повышению прочности композиционного вяжущего.

6. При формировании цементного камня, полученного с использованием вяжущих композиций, образуется пространственный каркас, представленный мелкодисперсным пористым заполнителем - вермикулитом. Вследствие того, что вермикулитовые зерна имеют пространственную ориентацию и на них, как на подложках, образуются первичный каркас, на котором в дальнейшем прорастают кристаллы гидроалюминатов и гидросиликатов кальция, срастаясь в единый композит.

7. Проведенные микроскопические исследования свидетельствуют о стабильном формировании микроструктуры вяжущих композиций в начальный возраст 7 и в марочный возраст 28 суток, формирование структуры цементных камней исследуемых композиций четко согласуются с результатами их физико-механических испытаний в соответствующие сроки твердения.

8. Установлено, что при использовании вермикулита до 30 % и более, растворы обладают хорошими теплоизоляционными свойствами, но низкими показателями при сжатии. Особенности природы вспученного вермикулита способствуют снижению плотности и обеспечению теплозащитных свойств. Механоактива-ция вяжущих композиций в зависимости от продолжительности обработки в вибрационной мельнице составов: портландцемент 90-70 %, вермикулит 10-30 %, позволила получить плотность в диапазоне 1720-1933 кг/м3, при прочности 42,858,2 МПа, снижая расход дорогостоящего цемента на 10-20 %.

9. Вследствие использования при приготовлении теплоизоляционного раствора пористого заполнителя - вермикулита, а также использования разработанного композиционного вяжущего, приготовленного из композиции портландцемент - вермикулит и СП Melment Б10, обладающего повышенной внутренней

структурной прочностью, получен вермикулитовый раствор, имеющий достаточную прочность и обладающего надежными теплоизоляционными показателями.

10. В результате проведенных исследований установлено, что СП Melment F10 определенным образом сорбируется на тонких частицах высокодисперсного вермикулита, обладающего незначительной гидравлической активностью и приближенных гранулометрических характеристик цемента и вермикулитовых частиц, особенность поведения пластифицирующей добавки обеспечивает направленное структурообразование в создаваемых композитах. Использование модификатора СП Melment F10 позволило разработать композиционное вяжущее: портландцемент - вермикулит, обеспечивающее получение теплоизоляционного раствора с прочностью при сжатии 70,1 МПа, превосходящим прочность при сжатии бездобавочного портландцемента на 21 % (48,1 МПа) и вяжущей композиции на 45,3 % (58,2 МПа).

12.Проведенные исследования микроструктуры и микроанализ элементного состава образцов цементного камня вяжущих композиций на сканирующем электронном микроскопе позволили установить особенности формирования структуры композитов. Карта распределения элементного состава в наиболее типичных участках затвердевшей вяжущей композиции показала, что по химическому составу исследуемый образец представлен смесью преимущественно силикатов и алюмосиликатов кальция, а также наличием слюдяных пакетов, представленных содержанием полевых шпатов, силикатов магния, алюминия и железа, сформированных вследствие преобразования слюды, что четко прослеживается на всех исследуемых спектрах.

Установлена высокая пористость структуры вяжущей композиции при достаточно равномерно-ритмичном строении созданной матрицы, системном струк-турообразовании и формированием кристаллических минеральных фаз алюмосиликатов и силикатов кальция, в структуре материала отмечается объемное прорастание мелкодисперсных игловидных кристаллов, пронизывающая в различных направлениях создаваемый композит.

Многослойная карта распределения элементного состава вяжущей композиции показала ее высокую дисперсность, однородность и высокую гомогенность смеси и, как следствие, ее высокую химическую активность. На вермикулитовых зернах-подложках формируются мелкозернистые кристаллические новообразования силикатов кальция различной морфологии, равномерно распределяющиеся и прорастающие по всему композиту, что обеспечивает достаточную прочность создаваемому композиту.

4 РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ РАСТВОРОВ

Для разработки составов теплоизоляционных растворов использовали в качестве вяжущего полученное композиционные вяжущие с применением портландцемента и минерального наполнителя - вермикулита и вспученного вермикулита в качестве заполнителя.

По сравнению с обычными цементно-песчаными растворами растворы с использованием вермикулита обладают значительно меньшей плотностью и в 4-6 раз меньшей теплопроводностью, что позволяет их отнести к группе «теплых» растворов. При создании теплоизоляционных штукатурок защитный цементно-вермикулитовый слой в 1-2 см может заменить цементно-песчаный раствор толщиной 10-15 см. При применении теплоизоляционного вермикулитового раствора при толщине до 3 см, размер кирпичной стены может уменьшаются на 25 % [120128]. При этом коэффициент звукопоглощения вермикулитовых теплоизоляционных штукатурок характеризуется величиной 0,2-0,62, в то время как обычных песчаных - 0,015-0,02. Растворы теплоизоляционные, разработанные на вермикулите мелкой фракции 0,6-2,0 мм и высокодисперсном вермикулитом с размерами до 0,06 мм имеют достаточную пластичность и требуемую удобоукладываемость. Несомненным достоинством вермикулитовых штукатурных растворов является то, что при высыхании они не растрескиваются и не имеют усадки.

При выполнении отделочных теплоизоляционных работ стен и потолков внутри помещения прочностные показатели и морозостойкость штукатурных покрытий не так важны, как при выполнении наружных работ: эти растворы не подвергаются перепадам температур в помещениях. К настоящему времени при приготовлении смешанных вермикулитовых растворов используют, как правило, обычные портландцементы.

Особый интерес при создании теплоизоляционных растворов представляет использование в качестве вяжущего компонента разработанных нами композици-

онных вяжущих, в которых в качестве наполнителя используется вермикулитовый отсев фракции менее 0,6 мм.

Исследовали составы штукатурных растворов, состоящих из композиционного вяжущего и вспученного вермикулитового песка (таблице 4.1).

Таблица 4.1 - Составы штукатурного раствора

№ п/п Соотношение композиционное вяжущее : вспученный вермику- В/Т Осадка конуса, Средняя плотность, кг/м3 Средняя прочность при сжатии, МПа

литовый песок М100 по объему см

В возрасте 28 сут

1 1:1 1,32 10,1 1300 11,6

2 1:3 1,36 10,2 1050 8,9

3 1:5 1,57 10,4 870 6,2

4 1:7 1,74 10,5 770 5,4

5 1:9 2,11 10,6 680 4,0

6 1:11 2,13 10,7 550 3,7

7 1:13 2,20 10,9 590 1,6

8 1:15 2,26 11,2 650 1,2

Установлены наилучшие соотношения композиционного вяжущего и вспу-

ченного вермикулитового песка М100 по объему, определяющие получение штукатурных растворов с наименьшей плотностью 550 кг/м3. Для дальнейшей оптимизации принимаем состав композиционного вяжущего и вспученного вермику-литового песка при соотношении компонентов 1:11.

4.1 Получение теплоизоляционного раствора с использованием метода

математического планирования

При проведении исследований применяли добавки: редиспергирующий порошок Vinnapas LL 4042 H, суперпластификатор Melment F10, порообразователь ESAPON 1214. Химические добавки применяли в композициях в количестве, указанной производителем добавок с принятым интервалом [129-131].

Действие составных компонентов на технологические свойства и физико-механические характеристики исследовали методом математического планирования эксперимента для плотности и прочности (таблицы 4.2)

4.1.1 Модель зависимости плотности теплоизоляционного раствора

от исследуемых факторов

Условия планирования эксперимента При планировании эксперимента изучали взаимное влияние на среднюю плотность создаваемого раствора следующих добавок: редиспергирующий порошок Vinnapas LL 4042 H, суперпластификатор Melment F10, порообразователь ESAPON 1214

Таблица 4.2 - Условия планирования эксперимента

Фактор Уровень варьирования Интервал варьирования

натуральный вид кодированный вид -1 0 1

Порообразователь ESAPON 1214 X1 0,1 0,15 0,2 0,05

Суперпластификатор Melment F10 X2 0,2 0,8 1,4 0,6

Редиспергирующий порошок VinnapasLL 4042 H X3 1,5 3 4,5 1,5

Параметры для расчета коэффициентов приведены в таблице 4.3.

Расчет коэффициентов регрессии и оценка их значимости Рассчитываем коэффициенты уравнения регрессии и их значимость. Т1...Т6 - параметры, зависящие от количества факторов в эксперименте; Т = 0,1832; Т2 = 0,0704; Тз = 0,1; Т4 = 0,5; Т5 = - 0,1268; Тб = 0,125. Свободный член Ь вычисляем по формуле:

N К / N

Ь1 = Т1^Уи-Т2^(^х2ГУи 1 1 V 1

Ь = 0,1832 7736 - 0,0704 ■ (4495+4438+4723) = 455,853 Коэффициенты для линейных членов определяем по формуле:

N

хш • Уи, (42)

1

Ь2 = 0,1545 =54,5; Ь3 = 0,1182 = 18,2;Ь4 = 0,1(-53) = - 5,3.

(4.1)

Таблица 4.3 - Параметры для расчета коэффициентов

Точка плана Факторы Экспериментальные значения уи Расчетные параметры для определения коэффициентов

Х1 Х2 Хз при линейных членах при квадратичных членах при взаимодействиях

УХ1 УХ2 УХ3 2 УХ12 2 УХ22 2 УХ32 УХ1Х2 УХ1Х3 УХ2Х3

1 1 1 1 560 560 560 560 560 560 560 560 560 560

2 1 1 1 510 510 510 -510 510 510 510 510 -510 -510

3 1 1 -1 480 480 -480 480 480 480 480 -480 480 -480

4 1 1 -1 540 540 -540 -540 540 540 540 -540 -540 540

5 1 -1 1 395 -395 395 395 395 395 395 -395 -395 395

6 1 -1 1 460 -460 460 -460 460 460 460 -460 460 -460

7 1 -1 -1 370 -370 -370 370 370 370 370 370 -370 -370

8 1 -1 -1 360 -360 -360 -360 360 360 360 360 360 360

9 -1 1 1 430 430 0 0 430 0 0 0 0 0

10 -1 1 1 390 -390 0 0 390 0 0 0 0 0

11 -1 1 -1 385 0 385 0 0 385 0 0 0 0

12 -1 1 -1 378 0 -378 0 0 378 0 0 0 0

13 -1 -1 1 530 0 0 530 0 0 530 0 0 0

14 -1 -1 1 518 0 0 1 8 0 0 518 0 0 0

15 -1 -1 -1 360 0 0 0 0 0 0 0 0 0

16 -1 -1 -1 550 0 0 0 0 0 0 0 0 0

17 1 0 0 520 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Сумма: 545 182 -53 4495 4438 4723 -53 -75 45

Коэффициенты для квадратичных членов рассчитываем по формуле:

N К / N \ N

= Т4 ^ х2и • Уи + Т5 ^ х2и • Уи ) - Т2 ^ Уи, (4.3)

1 1 V 1 / 1

Ь5 = 0,5-5495 - 0,1268 ■ (5495 + 5438 + 5723) - 0,0704-9436 = - 28,775; Ьб = 0,5-5438 - 0,1268 ■ (5495 + 5438 + 5723) - 0,0704-9436 = - 57,275; Ь7 = 0,5-5723 - 0,1268 ■ (5495 + 5438 + 5723) - 0,0704-9436 = 85,2248, Коэффициенты при взаимодействиях определяем по формуле:

N

N

= Тб ^ Xiu • Х|и • Уи, (4 4)

1

Ь8 = 0,125 ■ (- 75) = - 9,375; Ь9 = 0,125 ■ 45 = 5,625; Ью = 0,125 ■ 35 = 4,375.

Проверяем значимость коэффициентов уравнения регрессии. Для этого дополнительно выполняем 3 опыта, фиксируя факторы на основном уровне (таблица 4.4).

Таблица 4.4 - Результаты опытов и расчетов в нулевых точках

Точка Фактор У (У-У)2

плана Х1 Х2 Х3 У У-У

1 0 0 0 621 108,3333 11736,11

2 0 0 0 374 512,6667 - 138,667 19228,44

3 0 0 0 543 30,33333 920,1111

Сумма: 31884,67

Дисперсию воспроизводимости определяют по формуле:

С2 ^1°(У0и- Уо) (4 5)

Чуп) =-1-' (4.5)

(Уп) п0 — 1

2 31884,67 Чуп) = —— = 15942,333

Среднеквадратичное отклонение рассчитываем по формуле:

5(У°) = Т^^СУО), (4.6)

5(У°) = 715942,333 = 126,263. Среднеквадратичную ошибку рассчитываем по формулам:

_ (4.7)

:(bi) _ Т8 • S(yu); (4.8)

СЬц) _ Т9 ^ S(Уu); (4.9)

:(Ьч) _ Т10 • SСyu); (4.10)

где Т7...Т10 - параметры, зависящие от количества факторов в эксперименте; Т7 = 0,4279; Тв = 0,3162; Т9 = 0,6109; Тш = 0,3536.

S(bo) = 0,4787 • 126,263 = 60,442; S(bi) = 0,2357 • 126,263 = 29,760; S(bii) = 0,6212 • 126,263 = 78,435; 5(Ь„) = 0,25 • 126,263 = 31,566. Находим табличное 1Т значение критерия Стьюдента при а = 0,05 и ^у0) = 4 - 1 = 3; к = 3,18.

Расчетные значения 1Р критерия Стьюдента определяем по формулам:

|Ьо| .. 11Ч

(4Л1)

|Ь, |

(412)

^^ (4.13)

(414)

_ |455,853| _ tl _ 60,442 _ 7,54;

154,51 t2 _ 2976 _ 1,83; |18,2|

|—5,31

^=ет _0,18;

|—28,77521

_-1ШГ = 0,37;

|—57,27521 '6 _= 0,73;

|85,2248|

_ |—9,3751 _ _ 31,566 _ 0,3;

15,6251 _ 31566; __0,18;

|4,375| '10 _ 31566 __ 0,14,

При 1Р < 1;Т коэффициенты незначительны. Следовательно, к таковым относятся коэффициенты Ь2, Ь3, Ь5, Ь6, Ь7, Ь8, Ь9, Ь10. Коэффициенты при квадратичных членах, хотя они и незначительны, не исключаются из уравнения регрессии. С учетом вышеизложенного, зависимость плотности от исследуемых факторов имеет следующий вид:

У = 455,85 + 54,5-Х1 + 18,2^2 - 5,3-Х3 - 28,6952-Х12-57,1952-Х22 + 85,305^32 + + 9,375-ХгХ2 + 5,625^ХГХ3 + 4,375^Х где,

Порообразователь ESAPON 1214 - 0,15

Х1_ Х2 _

Хз_

0,05

Суперпластификатор Ме1теП: F10 - 0,8

06 ; Редиспергирующий порошок Vinnapas LL 4042 Н - 3

1,5

Проверка адекватности уравнений регрессии Далее определяем адекватность полученного уравнения регрессии. Рассчитываем дисперсию адекватности (таблица 4.5).

Таблица 4.5 - Расчет дисперсии адекватности

Точка плана У у У-у (у-У)2

1 560 523,29 36,708

2 510 513,89 -3,892

3 480 496,89 -16,892

4 540 504,99 35,0078 1225,546061

5 395 421,79 -26,7922 717,8219808

6 460 434,89 25,1078 630,4016208

7 370 357,89 12,1078 146,5988208

8 360 388,49 -28,4922 811,8054608

9 430 481,66 -51,6576 2668,507638

10 390 372,66 17,3424 300,7588378

11 385 416,86 -31,8576 1014,906678

12 378 380,46 -2,4576 6,03979776

13 530 535,86 -5,8576 34,31147776

14 518 546,46 -28,4576 809,8349978

15 360 455,85 -95,8528 9187,759268

16 550 455,85 94,1472 8863,695268

17 520 455,85 64,1472 4114,863268

Сумма: 30512,06677

Определяем дисперсию адекватности по формуле

=1?(У-Уи)2 (4.15)

а§ N — т

30512.06677 $2е = —^—тт— = 4358,9 а§ 17 — 10

Находим расчетное значение критерия Фишера Брпо формуле:

32

Fp=-(У), (4.16)

15942,333 FP = = 3,6574.

р 4358,9

Табличное значение критерия Фишера при доверительной вероятности 95 %: %0)= 4 - 1 = 3 и = 17 - 10 = 7 и Бт = 9,34. Бр<Рт, поэтому уравнение регрессии считается адекватным.

Анализ уравнений регрессии В линейных моделях знак «+» при коэффициенте свидетельствует о том, что с увеличением этого фактора величина выходного параметра увеличивается, а

знак «-» о том, что убывает. Чем больше значение коэффициента, тем сильнее влияние фактора. Если необходимо получить максимальное значение выходного параметра, значения всех факторов, коэффициенты которых имеют знак «+», следует принимать максимальными, а значения коэффициентов со знаком «-» - минимальными.

Оптимизационные задачи заключаются в нахождении такого сочетания факторов, которое обеспечивает максимальное (минимальное) значение выходного параметра. В этом случае экстремум находят из дифференцирования уравнения последовательно по Х1, Х2, Х3 и т.д. Полученная система линейных уравнений приравнивается к нулю. Путем ее решения находят значение XI, обеспечивающее экстремальное значение у.

у = 455,85 + 54,5-Х1 + 18,2^2 - 5,3-Хз - 28,6952-Х12-57,1952-Х22 + 85,305-Хз2 + + 9,375-ХгХ2 + 5,625-ХгХз + 4,375^Хз,

dx1 dX2 dx3

= 54,5 - 57,3904х1 - 9,375х2 + 5,625х3; = 18,2 - 9,375х1 - 114,3904х2 + 4,375х3; = -5,3 + 5,625х1 + 4,375х2 + 170,61х3.

Решение системы уравнений:

-57,3904х1 -9,375х2 5,625х3 = -54,5; -9,375х1 -114,3904х2 4,375х3 =-18,2; 5,625х1 4,375х2 170,61х3 = 5,3

^-35869 -75

45

М =

(

625 -75

"8"

45

88 71494 35

625 35

8

17061

М =

/-35869 625

0

45 "8"

88 -75

100 45

-109

2 -91

53 10 ) -109

(2)-(1)

/ 46875 \ (286952);

88 161925504679 7933945

(

1434760000 35

2295616 17061

8

100

26678389

2869520 53

10

(3)-(1)

/-28125 (286952

/

35869

М =

(

М =

(

625 0

0

—35869 625

0 0

—75

—161925504679

1434760000 7933945

2295616 —75

8

—161925504679

1434760000 7933945

45

7933945

2295616 9823016769

57390400

45

~8

7933945

-109

26678389

2295616 9823016769

2295616 —35869 —75

57390400

2869520 —119669

2869520

—109

(3)-(2)

/—4958715625 ч \161925504679/'

26678389

М =

625 0

0

8

—161925504679 1434760000

0

2869520 —119669

2869520 )

45

7933945

2295616 1386626075281397

(3)-(2)

/—4958715625 ч \161925504679/'

—109

—26678389

2869520 15545539857

8096275233950

1386626075281397 = —15545539857 8096275233950 ^ Хз = 47625148435 —2642741775690

47625148435

Хз =

1386626075281397 114147368869750

Х2 =

1386626075281397 1297884735028750

Х1 =

—0,002; * 0,082; 0,936

XI =

Х2 =

1386626075281397

Х1 = 0,936; Х2 = 0,082; Хз = —0,002.

Порообразователь ESAPON 1214 — 0,15

005 ; Суперпластификатор Ме1теП: F10 — 0,8

06

Хз =

Редиспергирующий порошок Vinnapas LL 4042 Н — 3

15

Порообразователь ESAPON 1214 = 0,936 • 0,05 + 0,15 = 0,1968, [0,1... 0,2]; Суперпластификатор Ме1теП: F10 = 0,082 • 0,6 + 0,8 = 0,849, [0,2 ... 1,4]; Редиспергирующий порошок VinnapasLL 4042 Н = —0,002 -1,5 + 3

= 2,997, [1,5 ... 4,5]. Подставим полученные значения в уравнение регрессии:

)

y = 455,85+54,5-0,94 + 18,2-0,08-5,3 • (-0,002) - 28,6952Ю,942 - 57,1952Ю,082+ +85,305 • (-0,002)2 - 9,375-0,94-0,08 + 5,625-0,94 • (-0,002) + 4,375-0,08 • (-0,002) = = 482,110 кг/м3.

Оптимальное расчетное значение плотности теплоизоляционного раствора составляет 482,110 кг/м3.

Построение зависимостей выходных параметров от исследуемых

факторов

Используя полученное уравнение регрессии, можно произвести анализ влияния исследуемых факторов на плотность теплоизоляционного раствора.

Зависимость плотности теплоизоляционного раствора от порообразователя ESAPON 1214:

у = 455,9 + 54,5 • 28,6952 •

при =-1:

у = 455,85 + 54,5 • (-1) + (-28,6952) • (-1)2 = 372,6576, при =-0,5:

у = 455,85 + 54,5 • (-0,5) + (-28,6952) • (-0,5)2 = 421,429, при =0:

у = 455,85 + 54,5 • 0 + (-28,6952) • 02 = 455,8528, при =0,5:

у = 455,85 + 54,5 • 0,5 + (-28,6952) • 0,52 = 475,929, при =1:

у = 455,85 + 54,5 • 1 + (-28,6952) • 12 = 481,6576, Зависимость плотности теплоизоляционного раствора от суперпластификатора Melment F10:

у = 455,85 + 18,2 • 57,1952 • Хх2,

при =-1:

3? = 455,85 + 18,2 • (-1) + (-57,1952) • (-1)2 = 380,4576, при =-0,5:

у = 455,85 + 18,2 • (-0,5) + (-57,1952) • (-0,5)2 = 432,454, при =0:

у = 455,85 + 18,2 • (0) + (-57,57,1952) • (0)2 = 455,8528, при =0,5:

у = 455,85 + 18,2 • 0,5 + (-57,57,1952) • 0,52 = 450,654, при =1:

3? = 455,85 + 18,2 • 1 + (-57,1952) • 12 = 416,8576, Зависимость плотности теплоизоляционного раствора от редиспергирующе-го порошка Vinnapas ЬЬ 4042 Н:

3? = 455,85 + (-5,3) • ^ + 85,225 •

при =-1:

3? = 455,85 + (-5,3) • (-1) + 85,305 • (-1)2 = 546,4576, при =-0,5:

3? = 455,85 + (-5,3) • (-0,5) + 85,305 • (-0,5)2 = 479,829, при =0:

3? = 455,85 + (-5,3) • 0 + 85,305 • 02 = 455,8528, при =0,5:

у = 455,85 + (-5,3) • 0,5 + 85,305 • 0,52 = 474,529, при =1:

у = 455,85 + (-5,3) • 1 + 85,305 • 12 = 535,8576, Строим графики зависимости плотности от исследуемых факторов (рисунок 4.1-4.6):

О Ч-"-1-1-1-1-1-1-1-1—

0 100 0.125 0 150 0 175 0.200

Порообра1с>Батель ЕЗАРОК 1214

Рисунок 4.1 - Зависимость плотности теплоизоляционного раствора от количества

порообразователя ESAPON 1214

500 -г-

г^ 350 -

1а зоо -......................................................................................................................................................

Í 250

| 200 ......................................................................................................................................................

I 150

100 -......................................................................................................................................................

50 -.....................................................................................................................................................

0 -I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-

0.20 0.50 0.Е0 1.10 1.40

Суперпла_сгифиха_гор Melmeni FIO

Рисунок 4.2 - Зависимость плотности теплоизоляционного раствора от количества

суперпластификатора Melment F10

Редиспергируемый порошок Млпараз 4042Н

Рисунок 4.3 - Зависимость плотности теплоизоляционного раствора от количества редиспергирующего порошка Vinnapas ЬЬ 4042 Н

значение фактора 3 - (-1)

—, 1,4

'36^.-380>406

Ч. .440.

.420 4460 ^

0,12 0,14 0,16 0,10

Езароп 1214, %

1,2

1.0

0,8

0,0

0,4

0,2

/

330'

значение фактора 3

^430 440